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南开黄毅综述:新型MOF衍生多孔碳基微波吸收材料

已有 1276 次阅读 2021-7-13 21:45 |系统分类:论文交流

A Review on Metal–Organic FrameworkDerived Porous CarbonBased Novel Microwave Absorption Materials

Zhiwei Zhang, Zhihao Cai, Ziyuan Wang, Yaling Peng, Lun Xia, Suping Ma, Zhanzhao Yin, Yi Huang*

Nano-Micro Letters (2021)13: 56

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00582-3

本文亮点
1. 综述了电磁波吸收领域的基本理论。

2. 深入分析了近年来金属有机骨架多孔碳基纳米复合材料作为微波吸收材料的研究进展。包括磁性单金属、非磁性单金属、多金属MOFs衍生多孔碳基吸波材料。

内容简介
金属-有机框架材料(MOFs)是近年来发展迅速的一种新型三维纳米材料,它是由无机金属中心和有机配体可控组装而成。MOFs具有化学结构可调、性质多样、比表面积大、孔隙分布均匀等特点,展现出优异的光电磁等性质。通常,以MOFs为前驱体,在惰性气氛下通过高温热解可以原位生成碳基化合物,从而衍生出新的结构和性质。MOFs衍生出的多孔碳基材料具有独特的三维空间微结构,以及丰富的有机/无机多元组分,赋予其优异的电磁波吸收性质,在电磁波隐身及屏蔽等领域展现出广阔的前景。南开大学材料学院黄毅教授团队系统地阐述了磁性单金属MOFs衍生多孔碳,非磁性单金属MOFs衍生多孔碳,多金属MOFs衍生多孔碳的电磁波吸收的研究进展。通过对不同类型MOFs衍生多孔碳基吸波材料的讨论,展示了当前MOFs衍生多孔碳基吸波材料的创新性和发展趋势,提出了MOFs衍生材料在吸波领域未来的发展方向。
图文导读
I 磁性单金属MOFs衍生多孔碳基吸波材料

常见的磁性金属有Fe,Co和Ni及其合金。它们均可以作为无机金属中心来合成MOFs材料。MOFs热解之后,与介电损耗材料相结合,可以改善阻抗匹配,合理设计微纳米结构,强化多种损耗机制。

Kuang等人报道了惰性气氛下直接高温碳化Co-MOF (ZIF-67),合成了多孔Co/C吸波材料。样品Co/C-500在4 mm厚度下,5.8 GHz频段的最小反射率(RL)达到-35.3 dB,10dB以上有效吸收带宽(EAB)在2.5 mm厚度下达到5.8 GHz (8.40-14.20 GHz)。Yang等人通过简单的水热法合成了具有不同表面形貌的Ni基MOF空心球。在6 GHz的RL达到-58 dB,其厚度为1.5 mm。在厚度为4.6 mm时,EAB达到6.2 GHz (5.0-11.2 GHz)。Lu等人用简单的一锅法,随后热解,合成了Fe₃O₄@NPC复合物,当厚度为3 mm时,其最小RL在9.8 GHz时达到-65.5 dB, EAB达到4.5 GHz。介电损耗和磁损耗的协同效应是提高吸波性能的有效途径,参见图1。

图1. (a) Fe₃O₄@NPC复合物合成过程;(b-e) Fe₃O₄@NPC复合物的SEM图,低倍TEM图,高倍TEM图(插图:SAED图)和高分辨图;(f) 电磁波吸收机制说明图;(g) Fe₃O₄@NPC复合物不同厚度下的电磁波反射损耗。

II 非磁性单金属MOFs衍生多孔碳基吸波材料
非磁性单金属MOFs衍生的多孔碳基吸波材料通常作为介电损耗材料。Xie等人合成了PPy/Zn-MOF复合物。在2.6 mm时,EAB达到7.24 GHz,在2.9 mm时RL达到-49 dB。良好的吸波性能归因于电导损耗和界面极化弛豫。参见图2。

图2. (a) PPy/ZIFs制备过程;(b, c) SEM图;(d, e) TEM图;(f) PPy/ZIFs的吸波性能;(g) 样品的界面极化示意图。

Ji等人还通过热解Ti-MOF (MIL-125) 合成了TiO₂/C吸波材料,在1.6 mm时最小RL达到-49.6 dB,EAB为4.6 GHz (13.4-18 GHz)。Zeng等人用Cu-MOF前驱体掺杂Ni,合成了Ni/NiO/Cu@C复合物。在3.2 mm时,RL达到-38.1 dB。Ni的引入提供了磁损耗,界面极化效应。Wang等人用UIO-66 (Zr-MOF)合成了ZrO₂/C。其最小RL为−58.7 dB (16.8 GHz,1.5 mm)。EAB在厚度范围为1.0-5.0 mm范围内覆盖了测量频率的91.3% (3.4-18.0 GHz)。Li等人合成了一系列稀土基MOFs材料,它们也展现出了优异的吸波性能。

III 多金属MOFs衍生多孔碳基吸波材料

由于多金属MOFs衍生的多孔碳基吸波材料拥有多元材料协同优势,赋予了其新的物理和化学性能,实现了对吸波材料电磁参数的有效调控。

Dong等人从CoNi-MOFs前驱体出发,合成了CoNi@C微球。最小RL在10.7 GHz达到-44.8 dB,EAB在1.6-4.0 mm厚度范围内达到13.3 GHz (4.7-18.0 GHz),参见图3。其电磁波衰减能力来自于界面极化、涡流损耗、多次反射和散射。阻抗匹配源于磁性CoNi合金和石墨化碳的电磁兼容。

图3. (a) 空心CNC微球的制备过程;(b, c) SEM图;(d, e)TEM图;(f) CoNi@C的吸波性能;(g) 样品的微波吸收机制。

总结与展望

本文综述了近年来MOFs衍生材料在吸波材料领域中的应用。MOFs衍生物的原位热解是发展轻质高效碳基吸波材料的一种有效方法。通过与其它磁性及介电损耗材料复合,引入多重损耗机制和协同效应,实现了对吸波性质的有效调控,表现出优良的阻抗匹配和电磁波衰减能力。

MOFs衍生的多孔碳基吸波材料的研究已经取得了积极的进展,但是,大多还在实验研究阶段,其在重点频段的吸波强度和有效吸收带宽还有待进一步提升。通过合理设计MOFs材料的微观结构,增加电磁波的多级散射和折射,有效调控MOFs材料的组成和结构以达到多种损耗机制的协同增强效应,以及通过发展新的无机金属中心和有机配体,开发新型高性能MOFs材料,是未来MOFs衍生多孔碳基吸波材料的发展方向,可望实现隐身材料“薄,宽,轻,强”的目标。

作者简介

张志伟

本文第一作者

南开大学 博士研究生

主要研究领域

低维材料的电磁屏蔽和微波吸收特性。

主要研究成果

以第一作者在Carbon, ACS Appl. Mater. Inter.等学术期刊发表论文3篇。

黄毅

本文通讯作者

南开大学 教授

主要研究领域

碳纳米材料,包括石墨烯,碳纳米管及其他低维纳米材料的合成及应用;智能高分子材料及器件,包括自修复材料、智能驱动材料、传感器等;电磁功能材料,包括电磁屏蔽材料、隐身材料及功能复合材料等。

主要研究成果

已在Nat. Photonics, Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文120余篇,其中IF>8的论文70余篇,有22篇文章先后入选ESI高被引论文,他引20000余次,H因子52,连续3年(2018-2020)入选科睿唯安“全球高被引科学家”。2018年获国家自然科学二等奖(R3),两次获得天津市自然科学一等奖(2015,2010)。已申请专利20余项,获授权10项。2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”,研究成果多次被重要的国际刊物和媒体作为“亮点”宣传报道,包括美国化学会的C&E News,Nature出版集团的Nature China和Asia Materials,Wiley集团的Materials Views和Materials Views China等。

Email: yihuang@nankai.edu.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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